JPS6247451A - 高炭素−高クロム鋼の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は圧延ロール材質の製造方法に係り、特に、ニオ
ビウム及びバナジウムを含むことを特徴とし、強靭性と
高い圧延圧力に耐え、高硬度で耐摩耗性にすぐれ、特に
、耐スポーリング性を向上させた高炭素−高クロム鋼の
製造法に関する。

〔発明の背景〕

一般に冷間圧延用作業ロールに要求される性質は耐摩耗
性、耐事故性、耐肌荒れ性、靭性があげられる。また、
中間ロールに要求される遇貿としては靭性、耐スポーリ
ング性ならびに耐摩耗性があげられる。冷間圧延用作業
ロール材質には軸受鋼、工具鋼及び高速度鋼が用いられ
、中間ロール材質には熱間ダイス鋼一部に工具鋼が使用
されているのが現状である。

一方、熱間圧延用ロールに要求される性質としては粗前
段作業ロールでは靭性、耐ファイヤクラック性、耐摩耗
性、耐肌荒れ性が要求される。粗後段作業ロールは耐摩
肌荒れ性、耐摩耗性、耐ヒートクラワク性、仕上前段作
業ロールでは耐肌荒れ性、耐摩耗性、耐肌荒れ性、耐ス
ポーリング性。

耐押しきす性の諸性質が要求される。

熱間作業ロール材質としては粗前段作業ロール及び粗後
段作業ロールには特殊鋼、アダマイトが使用される。ま
た、仕上作業ロールはアダマイトロール、仕上げ後段作
業ロールには紡鉄系のニッケルブレーンロールが使用さ
れている。

しかしながら、冷間及び熱間用ロールにおいては上述の
性質を同時に満足するロール材質は現状ではみられない
。（第３版、鉄鋼便覧ＩＩＩ　（１）圧延基礎鋼板） 最近は圧延ラインの連続化、圧延温度の低温化及び高速
圧延等により、ロールもますます過酷な使用状態が予想
される。これに対応するためには耐摩耗性、耐スポーリ
ング性及び靭性のすぐれたロール材質が要求されてきた
。

従来のロールにおいてはヘルツ応力が１００〜１５０ｋ
ｇ／ｍｍ”程度の荷重で疲労破壊を発生させ、スポーリ
ングの原因となっている。とくに、最近は冷間及び熱間
圧延用ロール材質として高炭素−高クロム材が用いられ
るようになって来ているが、強度的に問題である。特公
昭５９−２８６２０号公報に記載のように鋳造のままで
の使用は強度的に問題であり、過酷な使用状態下ではロ
ール材質としては危険性をともなうことが明らかである
。

〔発明の目的〕

本発明の主目的は金属組織の基地中にクロム、特に、ニ
オビウム及びバナジウムの特殊炭化物を晶出させ、特殊
炭化物を熱間拘束鋳造により、細粒状に分断させ、２０
０ｋｇ１０ｗｎ”以上のヘルツ応力に耐えられ、高硬度
で耐摩耗性ならびに靭性の向上、特に、耐久ポーリング
性のすぐれた高炭素−高クロム鋼及びその製造法を提供
するにある。

〔発明の概要〕

本発明は上記の目的を達成するため、重量％で炭素２〜
３．４％、クロム１０〜３０％、ニオビウム１〜１０％
、バナジウム６〜１５％、モリブデン１〜３％、タング
ステン１〜３％を特定範囲で添加した。とくに、ニオビ
ウム及びバナジウムは炭素の一部と結合してニオビウム
及びバナジウム炭化物を形成し耐摩耗性を著しく向上さ
せる元素である。しかし、バナジウムが１５％以上含有
させると炭素の割合で鋳造が困難となる。第１図は液相
面における鉄−バナジウム−炭素系状態図であり、第１
図からも明らかなように共晶としての炭化物の晶出が行
われる。この初晶バナジウム炭化物は比重が５．６ｇ／
ａｄと鉄の比重に比べて軽いので浮上し、鋳塊の上下で
鋳造組織が異なるようになる。また、晶出したバナジウ
ムは粗大となり、マトリクスからはく離しやすくなる。

このようなことから、バナジウムを１５％以上含有させ
ることは有害と考えられる。

一方、ニオビウム炭化物は比重が７．８ｇ／ａｎ（と鉄
の比重にほぼ近いため、ニオビウム、バナジウムが固溶
して晶出した炭化物は融液中で浮上及び沈降の恐れがな
いことが明らかとなった。しかし、ニオビウムの単独添
加は初品のニオビウム炭化物が粗粒となって晶出し、靭
性が極端に低下することが判明した。

ニオビウム及びバナジウムは炭素と結合して微細で粒状
のニオビラ１５及びバナジウム炭化物を面積率で１０〜
２０％マルテンサイト基地中に均一に分散させた。また
、炭素とクロムの結合により。

クロムを面積率で１５〜４２％晶出させ、全炭化物の面
積率が２５〜６３％晶出及び析出させても、炭化物が転
勤疲労時の疲労き裂の起点にならず。

高い圧延圧力に耐え、耐摩耗性及び靭性ならびに耐スポ
ーリング性を著しく向上することを特徴としている。

さらに、本発明によって製造された高炭素−高クロム鋼
は重量％で炭素２〜３．４％、クロム１０〜３０％、ニ
オビウム１〜１０％、バナジウム６〜１５％、モリブデ
ン１〜３％、タングステン１〜３％、　硅素０．５〜３
％、マンガン０．５〜３％の他に靭性の向上及び結晶粒
を微細化にするため、ニッケル５〜１０％、コバルト５
〜１０％、チタン０．５〜１．５％、アルミニウム０．
５％〜２％。

ボロン０．０１〜０．１％を添加した。

また１本発明で製造された鋳塊の機械加工性及び研削を
改善するために、不純物として含まれる元素を重量％で
硫黄及びリン０．０１〜０．５％。

鉛０．０１〜１％、銅０．０１〜１％、窒素０．０１〜
０．０５％の二種以上を組合わせて添加した。

〔発明の実施例〕

以下、炭素、クロム、ニオビウム、バナジウム。

モリブデン及びタングステン添加の効果を具体的に示す
ための実施例の化学組成を第１表に示す。

第１表 第１表において、１は従来の高炭素−高クロム鋳鉄で本
発明よりモリブデンが低く、他の元素のタングステン、
ニオビウム及びバナジウムは添加されていない。２は本
発明の請求範囲よりセニオビウム及びバナジウムが低い
場合である。３〜１７は本発明の特許請求範囲の組成で
ある。

本発明の最初の工程は試料を高周波溶解炉で溶製し、鋳
込み温度を１５５０℃と一定として鋳型に鋳込み鋳塊を
製造した。鋳込み後の鋳塊は８８０℃に５時間保持後７
７０℃に１０時間保保持炉冷の等温焼なましを行った。

第二の工程は固相線温度より６０〜１００℃低い温度に
３０時間保保持炉冷の拡散処理を行い、炭化物の形態を
変化させた。

第三の工程は拡散処理を施した鋳塊を円柱に機械加工を
行い、１０５０〜１０７５℃の温度範囲で熱間拘束鍛造
例えばスェージング、タップ鍛造、サヤ鍛造により炭化
物を分断する方法で行った。鍛造温鍛える１０５０〜１
０７５℃の特定範囲とした根拠は１０７５℃以上になる
と脱炭及び酸化が激しく割れの原因となる。１０５０℃
以下では変形能が小さいために鍛造が困難となる。鍛造
後は上述の等温焼なましを行い、各種試験片を加工した
。各種試験片の熱処理は１０００及び１０２５℃から油
冷し、二次硬化温度の５００℃で１時間保持後、１〜５
回の繰り返し操作を行った。熱処理硬さはロックウェル
硬度計（ＨＲＣ）で測定した。

第２図、第３図は代表的な焼入、焼もどし硬さ曲線を示
す。第２図は焼入温度と焼入硬さの関係を示す。従来材
の１はＨＲＣ６４、５以上の硬さを示している。本発明
の５はＨＲＣ６５とやや低い硬さを示すが、８，１１．
１７では９００〜１０２５℃の温度でＨＲＣ６６、３以
上の硬さが得られる。１０５０℃になると硬さは残留オ
ーステナイトが残留するため低くなる。

第３図に示す焼もどし回数と硬さの関係は従来１は二次
硬化により、ＨＲＣ６５の硬さを示している。本発明材
の５は５回焼もどしにより、ＨＲＣ６５，５の硬さを示
しているが、８，１１゜１７においてはいずれもＨＲＣ
６６、５以上の硬さを示し、とくに、１７は６７．５の
高い硬さを示している。

第２表 第２表は熱処理硬さ、摩耗試験２曲げ試験、熱ｍ＊試験
及びスポーリング試験結果を示す。熱処理硬さは第２表
１欄からも明らかなように、従来材の１はＨＲＣ６５，
３と硬さについては満足している。特許請求範囲よりも
ニオビウム及びバナジウム添加量が低い組成の２の硬さ
はＨＲＣ６５，０とやや低い硬さとなっている。本発明
材の３〜１７はいずれの材質もＨＲＣ６５，５〜６７．
５の非常に高い硬さが得られ、ロール仕様硬さを十分に
満足している。

第２表第２欄は研摩式摩耗試験による摩耗減量結果を示
す。摩耗方法は回転数６０Ｏｒｐｍで回転する直径２０
０閣のターンテーブル上にエメリーペーパを張り、その
上に直径１８ｎｍの試験片を荷重８００ｇで押付け、２
分２０秒間摩耗させる方法である。試験前後の重量差を
もって摩耗量とし耐摩耗性の検討を行った。従来材の２
及び実験材の２は摩耗量が多くなっている。本発明の３
〜１７は摩耗減量が１６〜１０ｍｇと非常に少なく、耐
摩耗性は従来材の２〜３．５倍となっている。

第２表第３欄及び第４欄は靭性評価のための静的曲げ試
験結果を示す。試験片の寸法は厚さ４　ａ［ａ。

幅５　ｒｍ　、長さ５５ｎｗｎであり、支点間距離４０
ｍｍで中央１点荷重の曲げ治具を用いて試験した。

従来材に比較して本発明材はいずれもすぐれた靭性を示
している。とくに、バナジウム及びニオビウムが多量に
添加されても靭性低下が少ないことが明らかであり、従
来材の１．５倍の値を示し、たわみ量が大巾に向上する
ことが知られた。

第２表第５１１は熱？＃撃性試験結果を示す。試験方法
としては４２０　ｋ　Ｈｚの高周波誘導加熱を利用した
ヒートクラック装置を用いた。試験片は直径２０膿、長
さ５０ｎｎとし、試験片表面にはＰＲ熱電対を溶接し、
７００℃まで８秒間で加熱し、直に、水冷する熱サイク
ルを与え、目視ｗｔ察により割れ発生までの繰り返し数
を測定した。本発明は従来材に比較して熱衝撃による割
れ発生までの回数が延びている。

第２表第６欄はスポーリング試験結果を示す。

スポーリング試験は菌属式摩耗試験機を使用した。

試験荷重は最大ヘルツ応力を２２０ｋｇ／１１１１１２
とし、上り率０％、潤滑油をタービン油を用いて試験し
た。

試験片は高い接触応力を与えるため、接触幅２ｍｍ、径
３０ａｎの段付試験片と幅８ｍの円筒試験片の組合わせ
で行った。従来材の１は５　Ｘ　１０’回でスポーリン
グを発生した。２の実験材は６×１０５回で１よりやや
寿命が延びている。本発明の３〜１７は１０６〜ｓ　ｘ
　ｔ　ｏ’回でスポーリングが発生し、寿命が大巾に延
びている。従来材の１に比較して約２倍以上の寿命をも
つことが知られた。第３表は全炭化物の面積率を示して
いる。

第４図は従来機１と本発明機８，１７の組成によりφ４
０及びφ１５０のロールを製造した後のミクロ組織（４
００倍）を示している。本発明機は炭化物が良く分断し
ているのがわかる。

以上の結果から明らかなように、圧延用作業ロール材と
して炭素２〜３．４％、クロム１０〜３０％、モリブデ
ン１〜３％、バナジウム６〜１５％。

ニオビウム１〜１０％を添加することにより、従来機よ
り高硬度で高い圧延圧力に耐え、しかも、高靭性と耐摩
耗性、スポーリング性が向上する。

とくに、４７５〜５５０℃の二次硬化現象により、高硬
度が得られ、ロール機として最適な化学組成であること
が明らかとなった。

第３表 以下、各成分の限定理由は次の通りである。炭素は一部
は焼入に際して基地に溶解し硬さを高める。残りはクロ
ム、バナジウム、ニオビウム、モリブデン及びタングス
テンと結合して硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上さ
せる。本発明において炭素はクロムと結合してクロム炭
化物（Ｍ　’ｌ　Ｃ３）を形成し、面積率で１５〜４２
％を晶出して耐摩耗性を高める。さらに、バナジウム及
びニオビウムと結合してバナジウム炭化物、ニオビウム
炭化物（ＭＣ）を形成し、面積率で１０〜２０％品出さ
せ、耐摩耗性の向上をさらに高める。その他、モリブデ
ン及びタングステンは焼もどし温度が４７５〜５５０℃
の二次硬化温度でＭｒ、Ｃ炭化物を析出して、耐摩耗性
を向上させる。２％以下では炭化物を形成する炭素量が
少なく３．４％以上ではかえって靭性を低下させる。

硅素は鉄鋼製錬において普通元素として分類され、鋼中
にある程度不可避的に含まれる成分である。通常は脱酸
の目的で添加される程度であり、含有量も０．４％以下
が一般的である。鋳鉄系においては０．５〜３．０％添
加されている。今回の実験において硅素添加は焼もどし
による二次硬化を促進する作用により高い′硬さが得ら
れることが明らかになっている。また、耐事故性を考慮
して好ましい量は０．５〜３％が望しい。

マンガンは必ず含まれている元素で特に規定する必要は
ないが、通常、添加される量は０．３％以下である。し
かし、硫黄と相互に結合して硫化マンガンを形成し、基
地に析出させて研削性の向上に寄与する元素で０．５〜
３％　が好ましい量である。

クロムは炭素と結合してＭ、Ｃ，炭化物を晶出し、この
クロム炭化物が耐摩耗性の向上に寄与する。

その含有量は１０％以下では硬さ及び耐摩耗性に劣り、
３０％以上では炭化物の粗大化が顕著となり、強度的に
も問題となる。したがって、クロム含有量は１０〜３０
％にすることが望ましい。

モリブデン及びタングステンはその一部が炭素と結合し
てＭ、Ｃ炭化物を形成し、残部は基地に固溶し、焼もど
しによる二次硬化現象で硬さが増加する。さらに、熱処
理作業の安定化のために最低１％は必要であり、３％以
上の添加ではモリブデン及びタングステン炭化物が網目
状となり好ましくない。

バナジウムは炭素と結合してバナジウム炭化物を形成し
、耐摩耗性を増すと同時に二次硬化で現象で硬さを上昇
させる。高い耐摩耗性を得るためには最低６％のバナジ
ウムが必要であり、バナジウム量が１５％を越すと溶解
作業及び鋳造作業が困雅となる。

ニオビウムは一部炭素と結合してニオブ炭化物を形成す
る。ニオブ炭化物は硬い炭化物を生成して耐摩耗性を増
すと同時にバナジウムの共存によってバナジウム炭化物
の形態を棒状から球状へ変えることによって靭性の向上
がはかられる。

チタンは一部炭素と結合してチタン炭化物を形成し、バ
ナジウム及びクロムと併用して用いると耐摩耗性がさら
によくなる。最適範囲は０．５〜１．５％であり、１５
％以上になるとスクラッチ疵が発生するので好ましくな
い。

ニワケルは鋼の組織を微細化し、オーステナイトにもフ
ェライトにも固溶して基地を強化する。

また、クロムやモリブデンと共存して焼入性を増す。好
ましい量は５〜１０％であり、１０％を越すとオーステ
ナイトが多くなり、硬さがでなくなる。

コバルトは焼もどし抵抗性を高めるもので好ましい量は
５〜１０％であり、特定範囲で十分靭性を高める。高価
な元素であるので５〜１０％で十分である。

ボロンは焼入性に寄与する元素で０６１％以下で十分で
ある。

アルミニウムは脱酸剤として用いられる元素で結晶粒の
微細化元素でその量は２．０％以下でよく、それ以上で
は鋳造性を悪くする。

隣は微量でも鋼の中に偏在する元素であり、焼割れ、ひ
ずみなどの主原因となる。また、脆性を著しく増加させ
るので普通は０．０３％以下に押えることになっている
。しかし、０．０１から０．５％の範囲であれば機械加
工性を増す。

硫黄はリンと同様に有害元素であるが硫化マンガン、硫
化チタンなどなるべく害の少ない形にするか、０．０３
％以下に押えるべきである。リンと同様に０．５％以下
であればかえって機械加工性及び切削加工性が増す元素
である。

窒素はオーステナイトを強く安定化するなど炭素と類似
している。その量は０．０１〜０．０５％で十分である
。

鋼は組織の微細化に寄与する元素であり、鋳造の際の割
れの原因ともなる。１％以下であればかえって機械加工
性及び切削性を増す元素である。

鉛は硫化マンガンやその他の介在物とともに凝集する。

樹枝状晶の間に集まる傾向を持ち、添加量が多くなると
熱間作業性が悪くなるので、１％以下におさえると切削
性をよくする元素である。

以下、防振鋳鉄材としての炭素、クロム、ニオビウム、
バナジウム、モリブデン、タングステン添加の効果を具
体的に示すための実施例の化学組成を第４表に示す。

第４表において従来機はモリブデンを１％含有する高炭
素−高クロム鋳鉄である。本発明機は従来機にタングス
テン、バナジウム、ニオビラ１１が添加されている組成
である−０ 本発明の最初の工程は試料を高周波溶解炉で溶製し、鋳
込み温度を１５５０℃と一定として鋳型に鋳込み鋳塊を
製造した。鋳込み後の鋳塊は８８０℃に５時間保持後７
７０℃に１０時間保保持炉冷の等温焼なましを行った。

第二の工程度は固相線温度より６０〜１００℃低い温度
に３０時間保保持炉冷の拡散処理を行い、炭化物の形態
を変化させた。第三の工程は拡散処理を施した鋳塊を円
柱に機械加工を行い、１０５０〜１０７５℃の温度範囲
で熱間拘束鋳造例えばスェージング、タップ鋳造、サヤ
鋳造により炭化物を分断する方法で行った。鋳造温度を
１０５０〜１０７５℃の特定範囲とした根拠は１０７５
℃以上になると脱炭及び酸化が激しく割れの原因となる
。１０５０℃以下では変形能が小さいために鋳造が回連
となる。鋳造後は上述の等温焼なましを行い、各種試験
片を加工した。第四番目の工程は各種試験片の熱処理は
１０２５℃から油冷し、二次硬化温度の５００℃で１時
間保持後、１〜５回の繰り返し操作を行った。熱処理硬
さはロックウェル硬度計（ＨＲＣ）で測定した。

第４表 第５表は熱処理硬さ、摩耗試験１曲げ試験、熱衝撃結果
を示す。熱処理硬さは第５表１欄からも明らかなように
、従来機はＨＲＣ６５，３を示している０本発明材の硬
さはＨＲＣ６６，２の高い硬さを示している。第５表第
２欄は研摩式摩耗試験による摩耗減量結果を示す。摩耗
方法は回転数６００ｒｐｍで回転する直径２００ＩＩＩ
１１のタンテーブル上にエメリーベーパを張り、その上
に直径１８ａｓの試験片を荷重８００ｇで押し付け、２
分２０秒間摩耗させる方法である。試験前後の重量差を
もって摩耗量とし耐摩耗性の検討を行った。

従来材の摩耗減量は３５　ｍ　ｇと本発明機の約２倍の
摩耗減量となっている。従来材の摩耗量が多くなってい
る。

第５表第３欄及び第４欄は靭性評価のための静的曲げ試
験結果を示す。試験片の寸法は厚さ４　ｒｍ　。

幅５＋＋ａ、長さ５５Ｉ１１１であり、支点間距離４０
ｍｍで中央１点荷重の曲げ治具を用いて試験した。従来
材に比較して本発明材はいずれもすぐれた靭性を示して
いる。とくに、バナジウム及びニオビウムが多量に添加
されても靭性低下が少ないことが明らかであり、従来材
の１．５倍の値を示し、たわみ量が大巾に向上すること
が知られた。

第５表第５４１Ｊは熱＊！ｌ＠性試験結果を示す。試験
方法としては４２０ｋｈｚの高周波誘導加熱を利用した
ヒートクラック装置を用いた。試験片は直径２０ｍ、長
さ５０ｍ＋＋とじ、試験片囲にはＰＲ熱電対を溶製し、
７００℃まで８秒間で加熱し、直第５表 に、水冷する熱サイクルを与え、目視観察により割れ発
生までのくり返し数を測定した。

本発明は従来材に比較して熱衝撃による割れ発生までの
回数が１．７倍と高い値を示すことが明らかとなった。

以上の結果から明らかなように、防振鋳鉄材として炭素
２〜３．４％、クロム１０〜３０％、モリブデン１〜３
％、タングステン１〜３％、ニオビウム１〜１０％、バ
ナジウム６〜１５％を添加することにより、従来材より
高硬度で耐摩耗性、さらに、高い靭性と耐熱Ｗ撃性にす
ぐれた材質である。この方法で得られる材質は減衰能が
時間とともに低下することなく、防振を必要とする各種
機器に好適な化学組成であることが明らかである。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の高炭素−高クロム鋼は高硬度で
耐摩耗性及び靭性に富み、さらに、高い圧延圧力に耐え
、とくに、耐スポーリング特性を著しく向上した圧延作
業ロール材に適した化学組成である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するための液相面における鉄−バ
ナジウム−炭素系“状態図、第２図は代表的焼入温度と
焼入硬さ曲線図、第３図は代表的焼４００倍）を示す顕
微鏡写真である。 １・・・従来材、５・・・本発明材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、重量％で炭素２〜３．４％、クロム１０〜３０％、
   ニオビウム１〜１０％、バナジウム６〜１５％を含有す
   る高炭素−高クロム鋼により、鋳塊を製造する工程とそ
   の鋳塊を固相線温度より、６０〜１００℃の低い温度で
   拡散処理を施し、クロム炭化物の形態を変化させる工程
   と拡散処理後１０５０〜１０７５℃の温度範囲で熱間拘
   束鋳造により、クロム炭化物を分断させる工程及び鋳造
   後は８８０℃〜７７０℃の等温焼なましにより、発生し
   たひずみ応力を除去する工程、さらに、９７５〜１０７
   ５℃の温度で焼入し、４７５〜５５０℃の高温焼もどし
   により、ＨＲＣ６５．３以上の硬さと金属組織中にニオ
   ビウム及びバナジウム炭化物を晶出させる工程を有する
   ことを特徴とする高炭素−高クロム鋼の製造法。